双离合器式自动变速器车辆换挡品质评价系统

第 47 卷第 8 期 2011 年 4 月机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol . 47 No . 8Apr. 2011DOI：10.3901/JME.2011.08.146双离合器式自动变速器车辆换挡品质评价系统 *孙贤安 1 吴光强 1, 2(1同济大学汽车学院 上海 201804； 2 东京大学生产技术研究所 东京 153-8505 日本)摘要：目前换挡品质评价多采用主观评价而易受测试人员影响，而且较少考虑换挡过程对其他性能的影响。以双离合器式自 动变速器(Dual clutch transmission，DCT)车辆为对象， 综合考虑整车动力性、经济性、传动系耐久性、舒适性等多方面因素， 结合换挡时间、加速度、冲击度和能量密度等，提出换挡品质评价指标。通 过径向基函数(Radial basis function，RBF)神经网络方法，建立舒适性主、客观评价之间的联系，并考察不同参数对该网络性能的影响，分析网 络训练误差随隐含层神经元数目变化的趋势，给 出部分原始值和 训练值之间的区别。基于此，采用界面化编程方式，开 发换挡品质评价系统。结合某驾驶员意图下的换挡过程，进行仿真。结果表明，采用所开发的系统可以有效地消除主观因素的影响，增强了换挡品质评价的客观性。关键词：双离合器式自动变速器 换挡品质 评价指标 径向基函数神经网络 评价系统中图分类号：U463.212Shifting Quality Evaluation System for Dual Clutch Transmission VehicleSUN Xianan 1 WU Guangqiang 1, 2(1. Automotive School, Tongji University, Shanghai 201804;2. Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Tokyo 153-8505, Japan)Abstract：At present，subjective evaluation is mostly adopted for shifting quality evaluation, so it is easily influenced by the testing personnel, and the effects of the shifting process on other performances are hardly considered. Based on the vehicle of dual clutch transmission (DCT), with the comprehensive consideration of multiple factors including dynamic performance, economy, durability of transmission system and comfort, combining with shifting time, acceleration, jerk, energy density, etc, the shifting quality evaluation indexes are put forward. The relationship between subjective and objective evaluations of comfort is established through radial basis function (RBF) neural network, and the influences of different parameters on the network performance are examined, then the trend between training error and number of neurons and the difference between original data and training data are presented. Based on this, the shifting quality evaluation system is developed by using programming interface. The shifting process is simulated by combining with a drivers intention. The results show that the system developed can effectively eliminate the influence of subjective factor and increase the objectivity of shifting quality evaluation.Key words：Dual clutch transmission Shifting quality Evaluation index Radial basis function neural network Evaluation system0 前言究。但是，长期以来，对于车辆换挡品质还没有形 成统一的定义和评价标准。研究初期，有学者将其 定义为换挡过程的舒适性、常用 换挡时间、加速度车辆换挡过程中存在着冲击，对驾乘人员的舒 和冲击度等指 标对换挡过程进行评价 1，但显然没 适性有较大的影响，因此，需要对换挡品质进行研 有综合考虑其他性能的影响；企业则通过测评人员 打分的方式对换挡品质进行评价，但是这种方式较 上海市科委资助项目(06DZ11002 ，08DZ1150401)。20100818 收到初稿， 主观，容易受到测评人员驾驶习惯 、身体因素甚至20110127收到修改稿2011 年 4 月 孙贤安等：双离合器式自动变速器车辆换挡品质评价系统 147心情的影响。基于此，有企业将主观评价划分为若 干个等级，基于采集到的大量 试验数据，建立 车辆 换挡舒适性主客观评价之间的对应关系 2。国内， 文献3结合换挡时间和冲击度等性能指标，开发了 换挡品质客观评价系统，建立了主、客观评价指标 之间的非线性关系。文献4基于人体生理学，对反 映换挡平顺性的冲击度进行了理论分析和试验研 究。目前，换挡品质的评价范围已经拓展到车辆动 力性、经济性、传动系耐久性、舒适性等多方面性 能的综合分析 5，得到更为客 观、更具说服力的结 论。但是，在具体指标选择方面，人们一直没有统 一标准，对其实现方法也没有相关定 论。双 离 合 器 式 自 动 变 速 器 (Dual clutch transmission，DCT)车辆行驶过程中，当达到 换挡临 界点时，与当前挡位联接的接合离合器开始分离，同时原先处于分离状态的离合器开始接合， 实现换 挡过程 6。DCT 系 统是一个多转动惯 量系统，换挡过程中传动比发生突变，离合器主从 动盘存在转速 差，会产生不同程度的换挡冲 击，从而影响 车辆的 多个性能 7-8。因此， 进一步对 DCT 车辆换挡品质 评价指标及其实现方法进行研究， 检验其换挡过程 中各性能的优劣是必要的。针对 DCT 车辆，分析了换挡过程对多个性能 的影响，提出了换挡品质评价指 标。尤其 对于舒适 性，建立了主观和客观评价之 间的联系。基于此， 构建换挡品质评价系统，并进 行仿真研究。1 换挡品质评价指标传统的评价指标往往只考察了换挡过程对某 一性能的影响，不能充分考察对 其他性能的影响。 以冲击度指标为例，传统意义上，经常考虑其对舒 适性的影响，而未能将其与传动 系耐久性联系起来； 而且，即使对于同一指标，其最大值和方均根值与 不同性能的关联程度也大不相同。同 样以冲击度指 标为例，其最大值反映了冲击的程度，与舒适性密 切相关；而其方均根值侧重于考察冲击的持续时间 和变化快慢，与传动系耐久性息息相关。因此，根 据各指标对不同性能的影响程度，合理运用其最大 值和方均根值等，提出各性能的具体指 标。1.1 动力性评价指标车辆动力性与加速时间和加速度等指标有关， 那么，可以从这些指标的角度考虑换挡过 程的车辆 动力性。换挡时间代表着换挡过程持 续时间的长短， 该值较小时， 换挡 的瞬态过程较短，则动力性较好。 加速度均方根值可以表征换挡过程中的加速度特性，该值较大时，则加速性较好。因此， 选择这两 个指标作为动力性评价指标。ts = t1 t0 (1)tt1 a 2 (t )dt0a = (2)rms ts且a (t) = dvd(tt)式中 t s 换挡时间t0，t1 换挡开始和终了时刻 arms 加速度方均根值 a(t) 瞬时加速度v(t) 瞬时车速1.2 经济性评价指标 换挡过程中，由于负载的变化使得 发动机运行 状态发生变化，发动机转速也会产 生较大波动， 导 致发动机性能发生变化，燃油经济性会有 较大变化。 这一过程中，燃油消耗率随着油门开度和 发动机转 速的变化而发生改变，因此，通过考察换挡过 程中 的燃油消耗率以及这一过程中的燃油消耗量，可以判断燃油经济性优劣。b = f (,e ) (3)G = t1 bdt (4)a t0式中 b 燃油消耗率 油门开度 e 发动机转速Ga 换挡过 程的燃油消耗量1.3 传动系耐久性评价指标 对于 DCT 而言，换挡过程中双离合器通过交 替运动实现分离和接合，这一 过程带来的换挡冲击 较大，对传动系统产生的动载 荷较大，将 严重影响 传动系统的寿命。判断离合器寿命的指标主要有能 量密度和功率密度。换挡时间 越长，离合器滑摩 时 间越大，能量密度和功率密度会越大，这会加大离 合器的磨损，严重影响离合器的使用寿命。冲 击度 方均根值表征了冲击对车辆传动系统的累积损伤程 度，对传动系统寿命很大影响。因此，传动系耐久 性主要从这三个指标进行考虑。tt01 Tc1 (e c1 )d t tt01 Tc2 (e c2 )dtL (t ) = + (5)Sc1 Sc2Tc1 (e c1 ) Tc2 (e c2 )l(t) = + (6)Sc1Sc2tt1 j 2 (t )dt0j = (7)rms ts148 机 械 工 程 学 报 第 47 卷第 8 期且j (t) = da (t) dt式中 L(t) 能量密度Tc1，T c2 离合器1和离合器2传递转矩 c1， c2 离合器1和离合器2转速 Sc1， Sc2 离合器 1和离合器 2面积l(t) 功率密度jrms 冲击度方均根值 j(t) 瞬时冲击 度1.4 舒适性评价指标 但是，这种方式影响因素太多，具有不确定性。因 此，需要分析主观评价与客观评 价之间的内在关系， 建立两者之间的映射关系，将客 观评价指标值与测 评人员主观评价打分值联系起来， 进而可以通过客 观的方式获得舒适性评价。神经网络方法在解决复杂系统的非线性、不确 定性上有着很好的表现，可以建立舒适性主、客观 评价的对应关系。径向基函数 (Radial basis function， RBF)神 经网络 是具有单隐层的三层前馈网络，在逼 近能力、分类能力和学习速度等方面均有良好的 表现，因此，采用 RBF 神经网络处理舒适性评价对于舒适性而言，由于它与人体的主观感受直 问题。接相关，传统的换挡品质研究大多集中在 这一方面。 2.2 RBF 神经网络加速度和冲击度是车辆在行 驶方向上的变量，且冲 RBF 网络结构中 10，输入层神经元节点数 m，击度是衡量车辆换挡过程平 顺性的主要评价指标， RBF 层神经元节点数 l，输出层神经元节点数 n。对这两个指标对舒适性有着很大影响，尤其是对于其 于舒适性评价问题而言，输入 层为 5 个评价指标，最大值可以表征主观感觉上瞬态的冲击，因此，选 即输入节点数 m=5，输出层为主观评价的打分值，择传统的加速度和冲击度最大值作为研究对象；结 即输出节点 n=1。合振动剂量值的研究经验，选择换挡过程中的冲击 RBF 神经网络算法需要对 3 个参数 进行求解：剂量值作为评 价指标 9，评价对驾乘人员的累积作 基函数中心、方差以及隐含层 到输出层的权值。用程度；同时，换挡过程中，发动机输出转速会有 径向基函数常采用高斯函数很大变化，输出转矩也会有很大波动，因此，结合 x 2i发动 机的输出转速和输出转矩波动量的最大值，作 Ri (x) = exp 2 (13)2i为考虑对象。综合这五个指 标，考虑其对舒适性的影响。 式中 R i 第 i 个隐层节点的 输出，i =1, 2, , lamax = max(a(t) (8) x i 欧式范数xm 维输入矢量jmax = max( j(t) (9)t1 4 1/ 4 i 第 i 个基函数的中心， 与 x 具有相同(10) 维 数的矢量Vs = t a(t) a(t0 ) dt0i2 第 i 个基函数的方差(e ) max = max(e (t) min(e (t) (11) RBF 网 络输 出可表示 为(Te )max = max(Te (t) min(Te (t) (12) l式中 a max 最大加速度 yk = wik Ri (x) (14)i=1jmax 最大冲击度 式中，y k 为网络第 k 个输出节点的实际输出，其中V 换挡冲击剂量值k=1, 2, , n，n 为输出变量总 数；w ik 为隐含层到输a(t0) 换挡开始 时刻加速度 出层的连接权值。(e) max 发动